Otwierasz oczy. Zwykle nie zastanawiasz się nad strukturą świata. Widzisz, że świeci Słońce albo pada deszcz. Obserwujesz otoczenie: codzienne zjawiska, przyrodę, budynki oraz ludzi. W tym miejscu się zatrzymajmy. Czas na chwilę refleksji. Czy zdajesz sobie sprawę, że to wszystko to tylko niewielki skrawek całego istniejącego świata? Większa część Kosmosu pozostaje ukryta przed naszymi oczami, a to dlatego, że zbudowana jest z tajemniczej ciemnej materii. Czym ona jest?

Przez wieki ludzie opierali swoją wiedzę na zjawiskach, które obserwowali. Początkowo byli ograniczeni tylko do tej części świata, którą widzieli. Jednak coraz bardziej zaawansowane metody badań pozwoliły na poszerzenie horyzontów. Teraz można prowadzić obserwacje nie tylko w zakresie promieniowania widzialnego, ale również w pozostałych częściach spektrum. Im więcej odkrywamy, tym więcej rodzi się pytań. Największą zagadką współczesnych czasów stał się problem ciemnej energii oraz ciemnej materii. Czym jest i skąd wiemy, że w ogóle istnieje? Poszukajmy odpowiedzi na te trudne pytania.

Na tropie

Zacznijmy od początku: skąd podejrzenia o istnienie niewidzialnej ciemnej materii? Pierwsze argumenty za jej istnieniem pochodzą z obserwacji gwiazd w naszej rodzimej Drodze Mlecznej. W 1932 roku holenderski astronom Jan Hendrik Oort przeanalizował rozkład prędkości kątowych gwiazd naszej Galaktyki i na tej podstawie wysnuł wniosek, że oprócz świecącej materii Droga Mleczna musi posiadać dużo materii, której nie widać. Wynikało to z faktu, że grawitacja generowana przez widoczną materię nie związałaby wszystkich fragmentów struktury galaktyki tak, aby obserwowane wartości prędkości kątowych zgadzały się z wartościami wyliczonymi uwzględniającymi jedynie widzialną część materii Drogi Mlecznej. Kolejnego dowodu na istnienie ciemnej materii dostarczył w 1933 roku szwajcarski astronom Fritz Zwicky, który z kolei mierzył prędkości kątowe galaktyk w gromadzie Coma. Okazało się, że zmierzone prędkości były tak duże, że obserwowane galaktyki dawno powinny uciec z gromady, a sama gromada przestać istnieć.

Ciemna materia

Tak astronomowie nazwali wszystkie obiekty, które wpływają na masę Wszechświata, ale nie można ich bezpośrednio zaobserwować, bo nie emitują ani nie odbiją promieniowania elektromagnetycznego. Dowodami jej istnienia są efekty grawitacyjne, które wywierają. Niektóre obiekty ciemnej materii działają jak „grawitacyjne soczewki” – zakrzywiają światło docierające do Ziemi. Jedno z kryteriów jej podziału dotyczy prędkości, z jaką cząstki się poruszają. W tym kontekście można mówić o cząstkach HDM (ang. hot dark matter), czyli gorącej ciemnej materii, do której zalicza się lekkie cząstki osiągające co najmniej 90% prędkości światła, czyli poruszające się z prędkościami relatywistycznymi. Cząstki z rodzaju zimnej ciemnej materii, oznaczanej w skrócie CDM (ang. cold dark matter), to cząstki ciężkie poruszające się z małymi prędkościami (wolniej niż 10% prędkości światła) razem z galaktykami i gazem międzygalaktycznym. Czasem wyróżnia się również materię pośrednią, zwaną ciepłą ciemną materią WDM (ang. warm dark matter), która porusza się z prędkościami większymi niż CDM i mniejszymi niż HDM.

Kandydaci

Do barionowej (czyli zbudowanej z barionów – cząstek, które tworzą znane nam gwiazdy i atomy, ich typowym przykładem są neutrony i protony) ciemnej materii można zaliczyć ciemny międzygalaktyczny gaz oraz obiekty określane jako MACHO (ang. massive compact halo object), czyli czarne dziury, gwiazdy neutronowe, planety, komety i podobne ciała. Można je wykryć za pomocą mikrosoczewkowania, metody badawczej zaproponowanej przez Paczyńskiego. Polega ona na rejestrowaniu zmiany natężenia światła emitowanego przez obserwowaną gwiazdę. Takie pojaśnienie wystąpi, gdy na linii łączącej obserwatora i gwiazdę znajdzie się obiekt MACHO. Tego typu ciemną materię można zaliczyć do grona CDM – zimnej ciemnej materii.
Niebarionowa ciemna materia charakteryzuje się tym, że nie posiada ładunku elektrycznego i nie oddziałuje elektromagnetycznie ani jądrowo z barionową materią, a jedynie może oddziaływać grawitacyjnie np. zakrzywiając czasoprzestrzeń jako soczewka grawitacyjna. Tak z tego rodzaju materii do grupy HDM można zaliczyć neutrina o niezerowej masie spoczynkowej, a do CDM – aksjony czy słabo oddziałujące masywne cząstki zwane WIMP-ami. Z cząstek tej grupy jedynie istnienie neutrin zostało potwierdzone eksperymentalnie w 1956 roku przez Fredericka Reinesa i Clyde’a Cowana. Pozostałe rodzaje cząstek teoretycznie można mierzyć bezpośrednio, jako zmiany zachowania cząstek zwykłej materii podczas zderzeń z ciemną materią, lub pośrednio, poszukując produktów ubocznych rozpadu cząstek ciemnej materii. Na przykład jednym z pomysłów detekcji aksjonów jest poszukiwanie fotonów, na które rozpadnie się aksjon pod wpływem silnego pola magnetycznego. Na tej zasadzie jest prowadzony eksperyment ADMX (ang. Axion Dark Matter Experiment), jednak do tej pory nie wykryto żadnego aksjonu.

Ciemna energia

Idea ciemnej energii powstała jako jedna z hipotez, która miała za zadanie wyjaśnić problem brakującej masy we Wszechświecie oraz jego przyspieszonej ekspansji. Według kosmologów wypełnia ona Wszechświat w 73% i odpowiada za przyspieszenie jego rozszerzania się. Charakteryzuje się tym, że jej oddziaływanie grawitacyjne jest odpychające. Na jej istnienie wskazują obserwacje supernowych, mikrofalowego promieniowania tła oraz gromad galaktyk. Takie pośrednie obserwacje pozwalają naukowcom snuć przypuszczenia o niewidzialnej części świata. Pozostaje więc pytanie: ile jeszcze tajemnic skrywa przed nami Wszechświat? Skoro tworzy go w większości niewidzialna dla nas materia to czy świat, który znamy, jest reprezentatywną próbką całości? Może wszystkie prawa fizyki, które przez lata zostały opracowane, są błędne?

Artykuł autorstwa Joanny Marii Więckowskiej ukazał się w Miesięczniku Studentów Politechniki Wrocławskiej ŻAK.